一致性协议之----2PC与3PC

声明：本文属于《从Paxos到Zookeeper 分布式一致性原理与实践》的学习笔记。内容大部分源自此书。

在对一个分布式系统进行架构设计的过程中，往往会在系统的可用性与数据一致性之间进行反复权衡，于是就产生了一系列的一致性协议。

本文将介绍其中的2PC和3PC。2PC即Two-Phase Commit，译为二阶段提交协议。3PC即Three-Phase Commit，译为三阶段提交协议。

引入协调者的概念：
在分布式系统中，每个机器节点虽然能够知道自己在进行事务操作过程中的结果是成功或失败，但却无法直接获取到其他分布式节点的操作结果。因此，当一个事务操作需要跨越多个分布式节点的时候，为了保持事务处理的ACID特性，需要引入一个“协调者（Coordinator）”的组件来统一调度所有分布式节点的执行逻辑，这些被调度的分布式节点被称为“参与者”。

一、2PC

2PC，二阶段提交协议，即将事务的提交过程分为两个阶段来进行处理：准备阶段和提交阶段。事务的发起者称协调者，事务的执行者称参与者。

阶段1：准备阶段
　　1、协调者向所有参与者发送事务内容，询问是否可以提交事务，并等待所有参与者答复。
　　2、各参与者执行事务操作，将Undo和Redo信息记入事务日志中（但不提交事务）。
　　3、如参与者执行成功，给协调者反馈YES，即可以提交；如执行失败，给协调者反馈NO，即不可提交。

阶段2：提交阶段

此阶段分两种情况：所有参与者均反馈YES、或任何一个参与者反馈NO。
①所有参与者均反馈YES时，即提交事务。
②任何一个参与者反馈NO时，即中断事务。

提交事务：（所有参与者均反馈YES）
　　1、协调者向所有参与者发出正式提交事务的请求（即Commit请求）。
　　2、参与者执行Commit请求，并释放整个事务期间占用的资源。
　　3、各参与者向协调者反馈Ack完成的消息。
　　4、协调者收到所有参与者反馈的Ack消息后，即完成事务提交。

中断事务：（任何一个参与者反馈NO）
　　1、协调者向所有参与者发出回滚请求（即Rollback请求）。
　　2、参与者使用阶段1中的Undo信息执行回滚操作，并释放整个事务期间占用的资源。
　　3、各参与者向协调者反馈Ack完成的消息。
　　4、协调者收到所有参与者反馈的Ack消息后，即完成事务中断。

2-PC 示意图如下：

2PC的缺陷

1、同步阻塞：最大的问题即同步阻塞，即：所有参与事务的逻辑均处于阻塞状态。
2、单点：协调者存在单点问题，如果协调者出现故障，参与者将一直处于锁定状态。
3、脑裂：在阶段2中，如果只有部分参与者接收并执行了Commit请求，会导致节点数据不一致。

由于2PC存在如上同步阻塞、单点、脑裂问题，因此又出现了2PC的改进方案，即3PC。

二、 3-PC

3PC，三阶段提交协议，是2PC的改进版本，即将事务的提交过程分为CanCommit、PreCommit、do Commit三个阶段来进行处理。

阶段1：CanCommit
　　1、协调者向所有参与者发出包含事务内容的CanCommit请求，询问是否可以提交事务，并等待所有参与者响应。
　　2、参与者收到CanCommit请求后，如果认为可以执行事务操作，则反馈YES并进入预备状态，否则反馈NO。

阶段2：PreCommit

此阶段分两种情况：
　　1、所有参与者均反馈YES，即执行事务预提交。
　　2、任何一个参与者反馈NO，或者等待超时后协调者尚无法收到所有参与者的反馈，即中断事务。

事务预提交：（所有参与者均反馈YES时）
　　1、协调者向所有参与者发出PreCommit请求，进入准备阶段。
　　2、参与者收到PreCommit请求后，执行事务操作，将Undo和Redo信息记入事务日志中（但不提交事务）。
　　3、各参与者向协调者反馈Ack响应或No响应，并等待最终指令（提交或终止）。

中断事务：（任何一个参与者反馈NO，或者等待超时后协调者尚无法收到所有参与者的反馈时）
　　1、协调者向所有参与者发出abort请求。
　　2、无论收到协调者发出的abort请求，或者在等待协调者请求过程中出现超时，参与者均会中断事务。

阶段3：do Commit

此阶段也存在两种情况：
　　1、所有参与者均反馈Ack响应，即执行真正的事务提交。
　　2、任何一个参与者反馈NO，或者等待超时后协调者尚无法收到所有参与者的反馈，即中断事务。

提交事务：（所有参与者均反馈Ack响应时）
　　1、如果协调者处于工作状态，则向所有参与者发出do Commit请求。
　　2、参与者收到do Commit请求后，会正式执行事务提交，并释放整个事务期间占用的资源。
　　3、各参与者向协调者反馈Ack完成的消息。
　　4、协调者收到所有参与者反馈的Ack消息后，即完成事务提交。

中断事务：（任何一个参与者反馈NO，或者等待超时后协调者尚无法收到所有参与者的反馈时）
　　1、如果协调者处于工作状态，向所有参与者发出abort请求。
　　2、参与者使用阶段1中的Undo信息执行回滚操作，并释放整个事务期间占用的资源。
　　3、各参与者向协调者反馈Ack完成的消息。
　　4、协调者收到所有参与者反馈的Ack消息后，即完成事务中断。

注意：进入阶段三后，无论协调者出现问题，或者协调者与参与者网络出现问题，都会导致参与者无法接收到协调者发出的do Commit请求或abort请求。此时，参与者都会在等待超时之后，继续执行事务提交。

过程如下图：

3PC的优点和缺陷

优点：降低了阻塞范围，在等待超时后协调者或参与者会中断事务。避免了协调者单点问题，阶段3中协调者出现问题时，参与者会继续提交事务。

缺陷：脑裂问题依然存在，即在参与者收到PreCommit请求后等待最终指令，如果此时协调者无法与参与者正常通信，会导致参与者继续提交事务，造成数据不一致。

无论2PC或3PC，均无法彻底解决分布式一致性问题。
解决一致性问题，则有Paxos算法，是目前公认的解决分布式一致性问题的最有效的算法之一。

参考资料：
从Paxos到Zookeeper 分布式一致性原理与实践 [倪超著]
分布式一致性算法2PC和3PC